Види сигналів. Аналоговий сигнал Аналоговий або цифровий сигнал

• Tutorial

Всім привіт. У цій статті я хотів би розповісти трохи про основні прийоми та ідеї сучасного цифрового бездротового зв'язку - на прикладі стандарту IEEE 802.11. У наш час дуже часто люди живуть на досить високих рівнях абстракції, погано уявляючи, як саме працюють навколишні речі. Ну що ж - спробую принести в маси світло освіти. У статті будуть використовуватися речі та термінологія, пояснені у цій статті. Тож людям, далеким від радіотехніки, рекомендується спочатку прочитати її.
DANGER: у статті присутній матан – особливо вразливим не натискати на цю кнопку:

Цифрові сигнали та спектри

Аналогові сигнали

Наприклад - звук- Залежність тиску від часу. Отриманий з приймача сигнал (напруга) надходить на підсилювач звукової частоти і змушує динамік коливатися.

Або відеосигналдля кінескопу Рівень сигналу визначає значення потужності, що бігає по екрану промінчика, який у потрібні моменти часу засвічує люмінофор, формуючи зображення на екрані

Основний мінус такого способу передачі інформації - низька завадостійкість - передавальне середовище завжди вносить у наш сигнал якусь випадкову складову - зміна форми відеосигналу змінює кольори окремих пікселів (всі ми пам'ятаємо шуми радіоприймача і бриж на екрані телевізора).

Цифрові сигнали

Спектр одиничного імпульсу

Таак – а як же бути з негативною амплітудою? Згадаймо, що в дійсних числах спектр розкладається на суму синусів і косінусів з нульовими фазами.

У такій формі насправді зручніше представляти в комп'ютері, але для аналізу така форма абсолютно незручна - при змінах сигналу в тимчасовій області - спектри змінюватимуться абсолютно незрозумілим для людини чином, тому два спектри синусних компонентів і косинусних компонентів перетворять на полярні координати, згортаючи пари синусів і косінусів з нульовою фазою в синус з ненульовою фазою, отримуючи амплітудний спектр і фазовий, а тепер пригадаємо, що домноження сигналу на -1 - еквівалентно стрибку фази на 180 градусів, тому негативна частина позначиться щодо горизонтальної осі, а в точках перегину - фаза випробовуватиме стрибок на 180 градусів.

Також бачимо, що спектр одиночного імпульсу є sinc функцією, що досить часто зустрічається в цифровій обробці сигналів і радіотехніки.

Майже вся енергія імпульсу міститься у центральному піку спектра - його ширина обернено пропорційна тривалості імпульсу. А висота - прямо пропорційна - тобто - чим довший імпульс - тим вже й вищий його спектр, а чим коротший - тим нижчий і ширший.
Спектр послідовності імпульсів з гарним ступенем точності можна вважати сукупністю гармонік у спектральній смузі, ширина якої обернено пропорційна тривалості імпульсу T.

Отже - висновок - зменшуючи довжину імпульсів нашого цифрового сигналу ми можемо розмазувати сигнал широкої смуги спектра - у своїй пропорційно зменшується його висота - зі збільшенням смуги в N раз - у стільки ж зменшиться висота спектра до рівня шумів. Широкосмугова передача має досить багато плюсів - один з них - стійкість до вузькосмугових перешкод - оскільки інформація розмазана по спектру - вузькосмугова перешкода псує лише малу частину цієї інформації.

Якщо тупо зменшити довжину імпульсів нашого інформаційного сигналу - спектр, звичайно, пошириться, але приймач не знає яку інформацію ми йому передаємо і не зможе виділити її з шумів. Тому необхідний спосіб - перетворити вузькосмуговий сигнал на широкосмуговий шумоподібний - для передачі по радіоканалу, а після прийому перетворити назад на вузькосмуговий - потрібно додавати в сигнал надмірну інформацію, тобто інформацію, відому і приймачеві і передавачу, за допомогою якої приймач може відрізнити сигнал від шумів . Закодуємо кожен біт інформації відомою і приймачеві та передавачу послідовністю.

Автокореляційна функція. Коди Баркера

Модуляція

Наступний тип модуляції - частотнаколи сигнал даних керує частотою несучої - або безпосередньо (ГУН), або перемикаючись між двома різними генераторами (при цьому відбувається стрибок фази)

Тут теж є що сказати, але якось іншим разом - інакше стаття вийде занадто вже великий.

Фазова модуляція

До речі - на її основі ми зробили перехід від спектрів синусоїд та косінусоїд з нульовими фазами до спектру синусоїд з ненульовими фазами та фазового спектру - тепер ми просто робимо зворотне перетворення.

На цьому ґрунтується Квадратурна модуляція

Разом з несучою ми генеруємо ще один сигнал, який зрушений щодо несучої на 90 градусів, тобто знаходиться з нею у квадратурі. Тепер - керуючи амплітудою кожного сигналу (In phase і Quadrature) - помножуючи на 1 або -1, а потім підсумовуючи - ми можемо отримати вже 4 можливі фазові зсуви.


Тепер ми можемо кодувати 2 біти. Тобто швидкість передачі збільшується вдвічі. Але й ймовірність помилки теж неминуче зросте.

Аналогічним чином можна отримати більше фазових зрушень. Можливі стани сигналу зазвичай показують на векторній діаграмі або площині сигнального сузір'я


Зверніть увагу, що послідовність бінарних слів на діаграмі є

Цифровий сигнал

Цифровий сигнал- сигнал даних, у якого кожен з параметрів описується функцією дискретного часу і кінцевим безліччю можливих значень.

Сигнали є дискретні електричні або світлові імпульси. При такому способі вся ємність каналу комунікаційного використовується для передачі одного сигналу. Цифровий сигнал використовує всю смугу пропускання кабелю. Смуга пропуску- це різниця між максимальною та мінімальною частотою, яка може бути передана кабелем. Кожен пристрій у таких мережах посилає дані в обох напрямках, а деякі можуть одночасно приймати та передавати. Вузькосмугові системи (baseband) передають дані у вигляді цифрового сигналу однієї частоти.

Дискретний цифровий сигнал складніше передавати великі відстані, ніж аналоговий сигнал , тому його попередньо модулюють за передавача, і демодулируют за приймача інформації. Використання в цифрових системах алгоритмів перевірки та відновлення цифрової інформації дозволяє суттєво збільшити надійність передачі.

Зауваження.Слід мати на увазі, що реальний цифровий сигнал за своєю фізичною є аналоговим. Через шуми та зміни параметрів ліній передачі він має флуктуації по амплітуді, фазі/частоті (джиттер), поляризації. Але цей аналоговий сигнал (імпульсний та дискретний) наділяється властивостями числа. У результаті його обробки стає можливим використання чисельних методів (комп'ютерна обробка).

Важливою властивістю цифрового сигналу, що визначив його домінування у сучасних системах зв'язку, є його здатність до повноїрегенерації аж до деякого порогового відношення сигнал/шум, у той час як аналоговий сигнал вдається лише посилити разом з шумами, що наклалися на нього. Тут же криється і нестача цифрового сигналу: якщо цифровий сигнал потопає в шумах, відновити його неможливо (ефект крутої скелі ( англ.)), у той час як людина (не машина) може засвоїти інформацію із сильно зашумленого сигналу на аналоговому радіоприймачі, хоча і важко. Якщо порівнювати стільниковий зв'язок аналогового формату (AMPS, NMT) з цифровим зв'язком (GSM, CDMA), то при перешкодах на цифровій лінії з розмови іноді випадають цілі слова, а на аналоговій можна вести розмову, хоча і з перешкодами. Вихід із цієї ситуації - частіше регенерувати цифровий сигнал, вставляючи регенератори в розрив лінії зв'язку, чи зменшувати довжину лінії зв'язку (наприклад, зменшувати відстань від мобільного телефону до базової станції (БС), що досягається найчастішим розташуванням БС біля).

Посилання

Див. також

Wikimedia Foundation.

Дивитись що таке "Цифровий сигнал" в інших словниках:

цифровий сигнал- Цифровий сигнал: За ГОСТ 22670. Джерело: ГОСТ Р 51386 99: Апаратура радіорелейна. Ланцюги стику. Методи вимірювання параметрів … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

цифровий сигнал

цифровий сигнал- даних цифровий сигнал Сигнал даних, у якого кожен з параметрів описується функцією дискретного часу і кінцевим безліччю можливих значень. [ГОСТ 17657 79] цифровий сигнал Для того щоб представити аналоговий сигнал… Довідник технічного перекладача

ЦИФРОВИЙ СИГНАЛ, група електричних чи інших імпульсів у комп'ютерній чи комунікаційній системі. Такі сигнали можуть відтворювати дані, звуки, зображення. Імпульси, збудовані в ряд цифрових сигналів, відтворюються за допомогою… Науково-технічний енциклопедичний словник- цифровий сигнал тривоги дискретна тривога цифровий аларм [Інтент] Тематики автоматизовані системи Синоніми дискретна тривогацифровий аларм EN digital alarm … Довідник технічного перекладача

Цифровий сигнал електрозв'язку- сигнал електрозв'язку, у якого кожен з параметрів (зміни яких відображають зміни переданого повідомлення) описується функцією дискретного часу і кінцевим безліччю можливих значень...

Лекція 4. Методи мережевої комунікації.

Методи мережевої комунікації

Сигнали

Як згадувалося раніше, існує багато способів фізичного створення та передачі сигналу. , Що представляють дані в комп'ютері, імпульси енергії називають кодуванням (модуляцією).

Подібно до класифікації комп'ютерних мереж, сигнали можна класифікувати на основі їх різних характеристик. Сигнали бувають такі:

аналогові та цифрові,

змодульовані та модульовані,

синхронні та асинхронні,

симплексні, напівдуплексні, дуплексні та мультиплексні

Аналогові та цифрові сигнали

В залежності від форми електричної напруги (яку можна побачити на екрані осцилографа), сигнали діляться на аналогові та цифрові. і т.д.

У певному сенсі аналогове обладнання представляє епоху електронної техніки, що минає, а цифрове - новітню, що приходить їй на зміну. Однак слід пам'ятати, що один тип сигналів не може бути кращим за інший. Кожен з них має свої переваги та недоліки, а також свої сфери застосування. Хоча цифрові сигнали використовуються все ширше, вони ніколи не витіснять аналогових.

Параметри аналогових сигналів

Аналогові сигнали плавно і безперервно змінюються у часі, тому їх можна графічно подати у вигляді плавної кривої (рис. 4.1).

У природі переважна більшість процесів є принципово аналоговими. Наприклад, звук - це зміна тиску повітря, яке за допомогою мікрофона можна перетворити на електричну напругу. Подаючи цю напругу на вхід осцилографа, можна побачити графік, аналогічний наведеному на рис. 4.1, тобто. можна простежити, як змінюється тиск повітря у часі.

Щоб наочніше уявити аналогову інформацію, згадайте традиційний спідометр в автомобілі. Коли швидкість автомобіля збільшується, стрілка плавно проходить за шкалою від числа до іншого. Ще один приклад - налаштування на станцію в радіоприймачі: при повороті ручки частота, що приймається, плавно змінюється.

Більшість аналогових сигналів мають циклічний, або періодичний характер, наприклад радіохвилі, що є коливанням електромагнітного поля з високою частотою. Такі циклічні аналогові сигнали прийнято характеризувати трьома параметрами.

Амплітуда.

Максимальне чи мінімальне значення сигналу, тобто. висота хвилі.

Частота.

Кількість циклічних змін сигналу за секунду. Частота вимірюється у герцах (Гц); 1 Гц – це один цикл в секунду.

Фаза.

Прикладом цифрового сигналу можуть бути показання новітнього цифрового спідометра в автомобілі (порівняйте з прикладом аналогового спідометра в попередньому розділі). Коли швидкість автомобіля збільшується, цифри, що показують значення швидкості в кілометрах на годину, перемикаються стрибками, причому величина сигналу є принципово дискретною: наприклад, між дискретними станами "125 км/год" і "126 км/год" немає проміжних значень. Інший приклад цифрової інформації - найновіший радіоприймач, в якому для налаштування на певну станцію користувач вводить точне число, що дорівнює частоті радіостанції.

Коли маєш справу з теле- та радіомовленням, а також сучасними видами зв'язку, дуже часто доводиться стикатися з такими термінами, як "аналоговий сигнал"і "цифровий сигнал". Для фахівців у цих словах немає жодної таємниці, але для людей, які не знають, різниця між «цифрою» та «аналогом» може бути зовсім невідомою. А тим часом різниця є і дуже суттєва.

Коли ми говоримо про сигнал, то зазвичай маємо на увазі електромагнітні коливання, що наводять ЕРС і викликають коливання струму в антені приймача. За цими коливаннями приймальний пристрій - телевізор, радіо, рація або стільниковий телефон - становить «уявлення» про те, яке зображення вивести на екран (за наявності відеосигналу) і якими звуками цей відеосигнал супроводжувати.

У будь-якому випадку сигнал радіостанції або вежі мобільного зв'язку може з'явитися як у цифровій, так і аналоговій формі. Адже, наприклад, сам собою звук - це аналоговий сигнал. На радіостанції звук, що сприймається мікрофоном, перетворюється на електромагнітні коливання, що вже згадувалися. Чим вище частота звуку - тим вища частота коливань на виході, а чим голосніше каже диктор - тим більша амплітуда.

Електромагнітні коливання, що вийшло, або хвилі, поширюються в просторі за допомогою передавальної антени. Щоб ефір не забивався низькочастотними перешкодами, і щоб у різних радіостанцій була можливість працювати паралельно, не заважаючи один одному, коливання, що вийшли від впливу звуку, підсумовують, тобто накладають на інші коливання, що мають постійну частоту. Останню частоту прийнято називати «несучою», і саме її сприйняття ми налаштовуємо свій радіоприймач, щоб «зловити» аналоговий сигнал радіостанції.

У приймачі відбувається зворотний процес: несуча частота відокремлюється, а електромагнітні коливання, отримані антеною, перетворюються на коливання звуку, і з динаміка чується знайомий голос диктора.

У процесі передачі звукового сигналу від радіостанції до приймача може статися будь-яке. Можуть виникнути сторонні перешкоди, частота і амплітуда можуть змінитися, що, звичайно ж, позначиться на звуках радіоприймачів. Нарешті, і передавач і приймач під час перетворення сигналу вносять деяку похибку. Тому звук, який відтворюється аналоговим радіоприймачем, завжди має деякі спотворення. Голос може цілком відтворюватися, незважаючи на зміни, але тлом буде шипіння або навіть якісь хрипи, спричинені перешкодами. Чим менш впевненим буде прийом, тим голоснішими і чіткішими будуть ці сторонні шумові ефекти.

До того ж, ефірний аналоговий сигнал має дуже слабкий ступінь захисту від стороннього доступу. Для громадських радіостанцій це, звичайно, не має жодного значення. Але під час користування першими мобільними телефонами був один неприємний момент, пов'язаний з тим, що майже будь-який сторонній радіоприймач міг легко налаштуватися на потрібну хвилю для підслуховування вашої телефонної розмови.

Такі недоліки мають аналогове ефірне мовлення. Через них, наприклад, телебачення відносно скоро обіцяє стати повністю цифровим.

Цифровий зв'язок та мовлення вважаються більш захищеними від перешкод та від зовнішніх впливів. Справа в тому, що при використанні «цифри» аналоговий сигнал з мікрофона на станції, що передає, зашифровується в цифровий код. Ні, звичайно, в навколишній простір не поширюється потік цифр та чисел. Просто звуку певної частоти та гучності надається код з радіоімпульсів. Тривалість та частота імпульсів задана заздалегідь - вона одна і у передавача, і у приймача. Наявність імпульсу відповідає одиниці, відсутність – нулю. Тому такий зв'язок і отримав назву «цифровий».

Пристрій, що перетворює аналоговий сигнал на цифровий код, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). А пристрій, встановлений у приймачі, і перетворює код аналоговий сигнал, відповідний голосу вашого знайомого в динаміці стільникового телефону стандарту GSM, називається «цифро-аналоговий перетворювач» (ЦАП).

Під час передачі цифрового сигналу помилки та спотворення практично виключені. Якщо імпульс стане трохи сильнішим, тривалішим, або навпаки, то він все одно буде розпізнаний системою як одиниця. А нуль залишиться банкрутом, навіть якщо на його місці виникне якийсь випадковий слабкий сигнал. Для АЦП і ЦАП немає інших значень, як 0,2 чи 0,9 - лише нуль і одиниця. Тому перешкоди на цифровий зв'язок і мовлення майже впливають.

Більше того, «цифра» є більш захищеною від стороннього доступу. Адже щоб ЦАП пристрою зміг розшифрувати сигнал, необхідно, щоб він «знав» код розшифровки. АЦП разом із сигналом може передавати і цифрову адресу пристрою, вибраного як приймач. Таким чином, навіть якщо радіосигнал і буде перехоплений, він не зможе бути розпізнаний через відсутність принаймні частини коду. Це особливо актуально.

Отже, ось відмінності цифрового та аналогового сигналів:

1) Аналоговий сигнал може бути спотворений перешкодами, а цифровий сигнал може бути забитий перешкодами зовсім, або приходити без спотворень. Цифровий сигнал або є, або повністю відсутній (або нуль, або одиниця).

2) Аналоговий сигнал доступний сприйняття всіма пристроями, які працюють за тим самим принципом, як і передавач. Цифровий сигнал надійно захищений кодом, його важко перехопити, якщо він не призначається.

Людина щодня розмовляє телефоном, дивиться передачі різних телеканалів, слухає музику, борознить просторами інтернету. Всі засоби зв'язку та інше інформаційне середовище ґрунтуються на передачі сигналів різних типів. Багато хто задається питаннями про те, чим відрізняється аналогова інформація від інших видів даних, що таке цифровий сигнал. Відповідь на них можна отримати, розібравшись у визначенні різних електросигналів, вивчивши їхню принципову відмінність між собою.

Аналоговий сигнал

Аналоговий сигнал (континуальний) – природний інфосигнал, що має кілька параметрів, які описуються тимчасовою функцією і безперервним безліччю різноманітних значень.

Людські органи чуття вловлюють всю інформацію з навколишнього середовища в аналоговому вигляді. Наприклад, якщо людина бачить вантажівку, що поряд проїжджає, то її рух спостерігається і змінюється безперервно. Якби мозок отримував інформацію про пересування автотранспорту раз на 15 секунд, то люди завжди потрапляли б під його колеса. Людина оцінює відстань миттєво, й у кожний тимчасової момент воно визначено і по-різному.

Те саме відбувається і з іншою інформацією – люди чують звук та оцінюють його гучність, дають оцінку якості відеосигналу тощо. Відповідно всі види даних мають аналогову природу і постійно змінюються.

На замітку.Аналоговий та цифровий сигнал відчуває у передачі промови співрозмовників, які спілкуються телефоном, мережа інтернет працює на основі обміну цих каналів сигналів по мережному кабелю. Такі сигнали мають електричну природу.

Аналоговий сигнал описується математичною тимчасовою функцією, схожою на синусоїду. Якщо зробити виміри, наприклад, температури води, періодично нагріваючи і охолоджуючи її, то на графіку функції буде відображено безперервну лінію, яка відображає її значення в кожен часовий проміжок.

Щоб уникнути перешкод, такі сигнали потрібно посилювати за допомогою спеціальних засобів і приладів. Якщо рівень перешкод сигналу високий, то й посилити його потрібно сильніше. Цей процес супроводжується величезними витратами енергії. Посилений радіосигнал, наприклад, нерідко сам може стати на заваді іншим каналам зв'язку.

Цікаво знати.Аналогові сигнали раніше застосовувалися у будь-яких видах зв'язку. Однак зараз він повсюдно витісняється або вже витіснений (мобільний зв'язок та інтернет) більш досконалими цифровими сигналами.

Аналогове та цифрове телебачення поки що співіснують разом, але цифровий тип телерадіомовлення з великою швидкістю змінює аналоговий спосіб передачі даних через свої істотні переваги.

Для опису цього типу інфосигналу застосовуються три основні параметри:

• частота;
• протяжність хвилі;
• амплітуда.

Недоліки аналогового сигналу

Аналоговий сигнал мають такі властивості, в яких простежується їх різниця від цифрового варіанту:

1. Цей вид сигналів характеризується надмірністю. Тобто аналогова інформація у них не відфільтрована – несуть багато зайвих інформаційних даних. Однак пропустити інформацію через фільтр можливо, знаючи додаткові параметри та природу сигналу, наприклад, частотним методом;
2. Безпека. Він практично повністю безпорадний перед неавторизованими вторгненнями ззовні;
3. Абсолютна безпорадність перед різнорідними перешкодами. Якщо канал передачі даних накладена будь-яка перешкода, вона буде в незмінному вигляді передана сигнальним приймачем;
4. Відсутність конкретної диференціації рівнів дискретизації – якість і кількість інформації, що передається, нічим не обмежується.

Наведені вище властивості є недоліками аналогового способу передачі даних, на підставі яких можна вважати його повністю себе вижив.

Цифровий та дискретний сигнали

Цифрові сигнали – штучні інфосигнали, представлені у вигляді чергових цифрових значень, які описують конкретні параметри інформації, що подається.

Для інформації.Зараз переважно застосовується простий кодування бітовий потік – двійковий цифровий сигнал. Саме такий тип може використовуватись у двійковій електроніці.

Відмінність цифрового типу передачі від аналогового варіанта у тому, що такий сигнал має конкретне число значень. У випадку з бітовим потоком їх два: "0" і "1".

Перехід від нульового значення до максимального цифрового сигналу проводиться різко, що дозволяє приймаючому обладнанню чіткіше зчитувати його. З появою певних шумів і перешкод приймачеві буде легше декодувати цифровий електросигнал, ніж аналогової інформаційної передачі.

Однак цифрові сигнали відрізняються від аналогового варіанта одним недоліком: при високому рівні перешкод їх відновити неможливо, а з континуального сигналу є можливість вилучення інформації. Прикладом цього може бути розмова по телефону двох осіб, у процесі якого можуть пропадати цілі слова і навіть словосполучення одного зі співрозмовників.

Цей ефект у цифровому середовищі називається ефектом обриву, який можна локалізувати зменшенням протяжності лінії зв'язку або встановленням повторювача, який повністю копіює початковий вид сигналу та передає його далі.

Аналогова інформація може передаватися цифровими каналами, пройшовши процес оцифровки спеціальними пристроями. Такий процес називається аналогово-цифровим перетворенням (АЦП). Цей процес може бути зворотним – цифро-аналогове перетворення (ЦАП). Прикладом пристрою ЦАП може бути приймач цифрового ТВ.

Цифрові системи також відрізняють можливість шифрування та кодування даних, яка стала важливою причиною оцифровування мобільного зв'язку та мережі інтернет.

Дискретний сигнал

Існує і третій тип інформації дискретна. Сигнал такого роду є уривчастим і змінюється за час, приймаючи будь-яке з можливих (заздалегідь запропонованих) значень.

Дискретна передача інформації характеризується тим, що зміни відбуваються за трьома сценаріями:

1. Електросигнал змінюється лише за часом, залишаючись безперервним (незмінним) за величиною;
2. Він змінюється лише за рівнем величини, залишаючись безперервним за часовим параметром;
3. Також він може змінюватись одномоментно і за величиною, і за часом.

Дискретність знайшла застосування при пакетній передачі великого обсягу даних обчислювальних системах.

На підставі вищесказаного можна визначити, що безперервність та множинність значень – основні відмінності аналогової інформації від дискретної та цифрової. Цифрова передача даних витісняє аналогову передачу, недарма людство нині живе у віки цифрових технологій.

Відео